유한길이 혼성방파제의 선단 주변에서 파랑변형특성 및 케이슨에 작용하는 파압의 공간변동특성에 관한 3차원수치시뮬레이션

Abstract

유한길이의 혼성방파제 선단에서 발생되는 회절파의 영향으로 방파제 길이를 따라 중복파고가 변동하고, 이로 인하여 케이슨에 작용하는 파압이 공간적으로 변동하며, 또한 케이슨의 활동거리가 상이한 사행피해가 발생한다는 것은 잘 알려져 있다. 제체에 작용파력의 공간적인 변동은 2차원적인 실험이나 수치해석으로서는 접근될 수 없는 문제이다. 본 연구는 olaFlow 모델을 적용하여 고천단의 사석마운드 상에 놓인 케이슨의 선단 주변에서 회절파의 발생과 배후역으로의 영향 및 제체에 작용하는 충격쇄파압을 포함한 파압의 공간적인 변동 등을 2차원 및 3차원수치기법으로 접근한다. 여기서, 수치해석에는 OpenFOAM®(Open source Field Operation And Manipulation) 모델을 근간으로 개발된 olaFlow 모델을 사용하였고, 이는 액체와 기체의 혼상류해석, 난류해석 및 쇄파해석이 가능한 유한체적법의 강비선형해석법으로, 3차원 VARANS(Volume-Averaged Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식에 기초한다. olaFlow 모델의 타당성을 검증하기 위해 2차원혼성방파제 주변에서 수위 및 지반 내 간극수압, 그리고 3차원투과성직립벽 주변에서 수위 및 파압에 관한 기존의 실험결과와 본 수치해석의 결과를 비교⋅검토하였다. 이로부터 olaFlow 모델의 타당성을 입증할 수 있었다. 실제 수치계산에서는 먼저, 3차원규칙파동장 하에 혼성방파제 주변에서 평균파고, 평균수평유속 및 평균난류운동에너지의 변동특성을 면밀히 분석⋅검토한다. 이로부터 동일한 입사파랑에 대해 케이슨에 작용하는 파압분포가 방파제의 길이에 따라 크게 변동하며, 2차원수치해석에서는 발생되지 않았든 충격쇄파압이 3차원수치해석에서는 발생되는 경우가 나타나고, 충격쇄파압의 발생 시 경우에 따라 기존의 설계조건보다 매우 큰 파압이 정수면 근방의 케이슨 전면 벽체에 작용되는 등의 중요한 결과를 확인할 수 있었다. 다음에, 3차원규칙파동장의 경우와 동일한 수치모델과 혼성방파제의 배치 및 형상을 적용하여 3차원불규칙파의 작용 하 고천단의 마운드 상에 놓인 케이슨의 선단 주변에서 회절파의 발생과 배후역으로의 영향 및 케이슨에 작용하는 충격쇄파압을 포함한 파압의 공간적인 변동 등을 2차원 및 3차원적으로 검토한다. 또한, 불규칙파의 3차원수치해석으로부터 혼성방파제 주변에서 주파수스펙트럼, 평균유의파고, 평균수평유속 및 평균난류운동에너지의 변동특성도 면밀히 분석⋅검토한다. 이로부터 2차원수치해석에서는 발생되지 않았든 충격쇄파압이 3차원수치해석에서는 발생되는 경우가 나타나고, 충격쇄파압의 발생 시 경우에 따라 기존의 설계조건보다 매우 큰 파압이 정수면 근방의 케이슨의 전면 벽체에 작용되는 등의 중요한 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 동일한 입사유의파랑에 대해 케이슨에 작용하는 파압분포가 방파제의 길이에 따라 변동하는 것을 확인할 수 있었으며, 이러한 변동은 크기에서 차이를 나타내지만, 3차원규칙파에 대한 경우와 유사한 특성을 갖는다.